HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch)

HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch) HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch) HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch) HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch)

Trang 1

ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF

Trang 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.2 IOT TRONG NÔNG NGHIỆP TẠI VIỆT NAM 1

1.3 TRUYỀN NHẬN KHÔNG DÂY ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ 1

1.4 LÝ THUYẾT VỀ TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

1.5 LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ ẨM ĐẤT 2

1.5.1 Khái niệm 2

1.5.2 Công thức tính 2

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ 3

2.1 SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG 3

2.1.1 Sơ đồ khối slave 4

2.1.2 Sơ đồ khối master 5

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 6

2.2.1 Mạch slave 6

2.2.2 Mạch master 7

2.3 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 8

2.3.1 Khối slave 8

2.3.2 Khối master 9

2.4 MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÂY TRỒNG VÀ ĐỘ ẨM CẦN THIẾT 10

2.4.1 Khoai lang 10

2.4.2 Cải bắp 11

2.5 MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 12

2.5.1 Giới thiệu về PIC 16F877A 12

2.5.2 Cảm biến độ ẩm đất 14

Trang 3

2.6 LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ (UART) 18

CHƯƠNG 3 THI CÔNG ĐỀ TÀI 19

3.1 YÊU CẦU 19

3.2 ĐƯA DỮ LIỆU LÊN WEB 19

3.2.1 Tìm hiểu về ThingSpeak 19

3.2.2 Các tính năng của ThingSpeak 20

3.3 HIỂN THỊ DỮ LIỆU LÊN ĐIỆN THOẠI 21

3.3.1 Tìm hiểu về Blynk 21

3.3.2 Các thông số hiển thị 22

3.4 KẾT QUẢ THI CÔNG 23

3.5 MÔ HÌNH 25

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 26

4.1 NHẬN XÉT 26

4.2 ƯU ĐIỂM 26

4.3 HẠN CHẾ 26

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 27

5.1 KẾT LUẬN 27

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC A 30

Trang 4

HÌNH 2-2: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH SLAVE 4

HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH MASTER 5

HÌNH 2-4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH SLAVE 6

HÌNH 2-5: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MASTER 7

HÌNH 2-6: SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 8

HÌNH 2-7: SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT 9

HÌNH 2-8: PIC16F877A 12

HÌNH 2-9: SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT VỀ PIC 13

HÌNH 2-10: MODULE CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT 14

HÌNH 2-11: MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 14

HÌNH 2-12: MODULE RF 15

HÌNH 2-13: KIT RF THU PHÁT WIFI ESP8266 NODEMCU 16

HÌNH 2-14: SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CHÂN 17

HÌNH 2-15: SƠ ĐỒ KẾT NỐI 17

HÌNH 2-16: CẤU TRÚC KHUNG TRUYỀN 18

HÌNH 3-1: GIAO DIỆN WEBSITE 20

HÌNH 3-2: GIAO DIỆN BLYNK 21

HÌNH 3-3: GIAO DIỆN TRÊN ĐIỆN THOẠI 22

HÌNH 3-4: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

HÌNH 3-5: MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU 24

HÌNH 3-6: MÔ HÌNH 25

HÌNH 3-7: MÔ HÌNH 25

Trang 6

I2C Inter-Integrated Circuit

UART Universal Asynchronous Receiver

RF Radio Frequency

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

IoT Internet of Things

Trang 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung

Thật rõ ràng để thấy trong những chỉ số phát triển các ứng dụng điều khiển vàcảm biến nông nghiệp, một bước thay đổi từ kết nối dữ liệu thông qua dây cáp bằngkết nối không dây đang ngày càng xuất hiện rõ nét Không dây giảm chi phí lắp đặt,thêm nhiều tính linh hoạt, dễ triển khai và ít khó khăn trong bảo trì

Trong thời đại mà máy móc dần thay thế con người, sự tự động hóa được ưu tiên

và hơn nữa con người đang làm mọi thứ trở nên đơn giản nhất thì mọi ngành nghềđều sẽ bị ảnh hưởng Nông nghiệp cũng được thừa hưởng sự phát triển của côngnghệ mà trở mình Người nông dân sẽ tăng được năng xuất mùa vụ, giảm chi phíchăm sóc, tưới tiêu

1.2 IoT trong nông nghiệp tại Việt Nam

Trong thời đại công nghiệp 4.0, ngành nông nghiệp vốn được mọi người biếtđến với việc phải phụ thuộc vào kinh nghiệm và quan sát của người nông dân, họphải đối mặt với những thách thức trong việc tìm kiếm những cách thức tốt nhất đểtăng gia sản xuất, tăng hiệu quả cũng như chất lượng nông sản Cách duy nhất đóchính là việc áp dụng công nghệ mới vào nông nghiệp IoT sẽ biến một nền nôngnghiệp lạc hậu trở thành một lĩnh vực sản xuất mang tính định hình, một lĩnh vựcsản xuất chính xác dựa trên những số liệu thu thập được từ đó tổng hợp, phân tích

và thống kê

1.3 Truyền nhận không dây điều khiển thiết bị

Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ trong nhiều lĩnh vực thì nôngnghiệp ngày càng được công nghệ hóa

Công nghệ không dây cũng được ứng dụng nhằm thu nhận dữ liệu, bật tắtcác thiết bị, động cơ, tự động hóa nông nghiệp

1.4 Lý thuyết về tưới tiêu tự động và mục đích của đề tài

Sử dụng các cảm biến kết hợp với vi điều khiển sẽ cho ta biết được các thông sốcủa đất cũng như môi người xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm không khí Mọi thứ

Trang 8

được thu thập và dựa trên đó để đưa ra phương án thích hợp để mang lại môi trườngphát triển lý tưởng nhất cho cây trồng.

Tưới tiêu tự động là hệ thống dựa trên các thông số thu thập được mà điều khiểnđộng cơ máy bơm, bật đèn, bật quạt sấy Người dùng đơn giản chỉ cần khởi động hệthống là mọi thứ sẽ được tự động và họ luôn theo dõi được khu vườn của mình.Với những tiện ích và sự thuận tiện cũng như khoa học trong việc điều khiển,giám sát cũng như theo dõi mà đề tài được thực hiện

1.5 Lý thuyết về độ ẩm đất

1.1.1 Khái niệm

Độ ẩm đất là lượng nước trong mẫu đất đã bị mất đi khi mẫu đất đó bị đốt nónglên đến nhiệt độ 105°C Độ ẩm đất thường được biểu diễn theo % của khối lượngđất khô

1.1.2 Công thức tính

W = mw md × 100Trong đó:

W: độ ẩm đất (%)

mw: khối lượng nước trong đất (g)

md: khối lượng đất khô trong đất (g)

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ

1.1 Sơ đồ của hệ thống

Trang 9

Hình 2-1: Sơ đồ toàn mạch

Giải thích sơ đồ:

- Khối slave là mạch thu nhận dữ liệu có chức năng thu thập các thông số cảmbiến, xử lý và sau đó tổng hợp và gửi về bộ tổng master

- Khối master xử lý mọi thông tin từ nhận dữ liệu từ các slave, điều khiểnđộng cơ, thiết bị cũng như đưa dữ liệu lên server

- Khối control ở đây là các mạch điều khiển bao gồm relay để bật tắt bơm vàcác đèn báo hiệu

- Khối cloud, app bao gồm gửi dữ liệu lên internet và điện thoại

1.1.3 Sơ đồ khối slave

Trang 10

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch slave

- Khối nguồn đơn giản cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động

- Khối cảm biến ở đây sử dụng cảm biến độ ẩm đất và cảm biến đo nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường

- Khối thu phát RF sử dụng mạch thu phát RF cho phép truyền dữ liệu không dây, tiện lợi dễ sử dụng

- Khối xử lý dùng vi điều khiển PIC 16F877A đọc các dữ liệu mà cảm biếnthu nhận được cũng như giúp khối thu phát RF gửi dữ liệu cho bộ tổng.1.1.4 Sơ đồ khối master

Trang 11

Hình 2-3: Sơ đồ khối mạch master

 Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn mạch

 Khối cảm hiển thị, điều khiển dùng màn hình hiển thị để cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển

 Khối phát RF sử dụng module RF C1101 giao tiếp UART với vi điều khiển

để truyền nhận dữ liệu

 Khối xử lí dùng kit WiFi ESP8266 NodeMcu xử lý dữ liệu, gửi lên internet, điện thoại, đảm nhận nhiệm vụ nhận dữ liệu, so sánh, điều khiển động cơ, gửi lên server để theo dõi, thống kê, quan sát

 Khối cloud giúp hiển thị, thống kê và theo dõi hệ thống

 Khối mobile hiển thị các thông số, điều khiển thiết bị

1.6 Sơ đồ nguyên lý

Trang 12

1.1.5 Mạch slave

Sơ đồ khối nguồn và cảm biến:

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch slave

Dựa theo sơ đồ khối ở trên ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến độ ẩm đất, cảm biến DHT11 với vi điều khiểnPIC 16F877A, giao tiếp UART với module RF C1101 giúp truyền phát dữ liệu đi.Module cảm biến độ ẩm đất thu thập dữ liệu độ ẩm đất, kết nối với chân RA0của PIC để đọc dữ liệu cảm biến

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 sẽ đọc nhiệt độ và độ ẩm của môitrường xung quanh nó, được kết nối với chân RB0 của vi điều khiển

Module RF C1101 wireless to TTL Serial 433MHz là module thu phát sóngkhông dây chuyển tín hiệu Serial trên sóng mang 433MHz Module có 128 kênhsóng cũng như 256 địa chỉ, tất cả dữ liệu truyền qua UART vào module sẽ đượctruyền sang các module khác có cùng địa chỉ và kênh sóng và truyền ra bằngUART

1.1.6 Mạch master

Trang 13

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý master

Sơ đồ nguyên lý bao gồm module WiFi, mạch nguồn và mạch điều khiển

Sơ đồ bao gồm 2 relay dùng để điều khiển các thiết bị, máy bơm khi tín hiệu điều khiển được phát đi

Mạch nguyên lý đa phần là kết nối các chân linh kiện, các module để tạo thành một mạch hoàn chỉnh, tiện dụng, nhỏ gọn cho điều khiển và lắp đặt

1.7 Sơ đồ giải thuật

1.1.7 Khối slave

Trang 14

Hình 2-6: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:

Khởi tạo, đọc và xử lý dữ liệu từ cảm biến Vi điều khiển đọc dữ liệu, chờ khi nhận được tín hiệu hỏi từ master Dữ liệu nhận được là đúng thì các thông số sẽ được gửi đi

Tín hiệu được gửi đi bằng sóng RF Nếu thời gian xử lý quá lâu, hệ thống bị đơ không nhận cũng không gửi đi thì vi điều khiển sẽ tự động reset lại quá trình và thực hiện lại

1.1.8 Khối master

Lưu đồ:

Trang 15

Hình 2-7: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:

Khởi tạo biến thời gian Vi điều khiển sẽ hỏi slave và chờ tín hiệu trả về Tínhiệu độ ẩm đất sau khi nhận về sẽ được so sánh, dùng nó để bật tắt động cơ theo ýngười sử dụng Bộ thu còn nhiệm vụ đưa thông số lấy được lên server để tiện theodõi, quan sát, thống kê thay đổi

1.8 Một số ví dụ về cây trồng và độ ẩm cần thiết

Trang 16

- Ở nhiệt độ từ 20 đến 25oC cây sinh trưởng nhanh hơn, tỷ lệ thuận với nhiệtđộ.

- Nhiệt độ từ 45oC cây sinh trưởng không tốt bằng ở nhiệt độ 25oC

Mặc dù độ ẩm thích hợp cho khoai lang nói chung là khoảng 70-80% độ ẩm tối

đa đồng ruộng, nhưng nhu cầu về nước đối với khoai lang qua từng thời kỳ sinhtrưởng phát triển cũng có khác nhau Nhu cầu nước của khoai lang có thể chia ralàm 3 giai đoạn

- Giai đoạn đầu (từ trồng đến kết thúc thời kỳ phân cành kết củ) nhu cầu nướccủa khoai lang còn thấp nên độ ẩm đất chỉ cần đảm bảo 65-75% độ ẩm tối đađồng

- Giai đoạn thứ hai: Để tạo nên được lượng sinh khối lớn cây khoai lang cầnrất nhiều nước Lượng nước cần tăng dần từ đầu cho đến khi thân lá đạt đếntrị số tối đa Lượng nước cần cho giai đoạn này chiếm cao nhất Khoảng 50-60% tổng lượng nước cần trong suốt thời kỳ sinh trưởng Tuy nhiên để choluống khoai có đủ độ thoáng khí, độ ẩm đất cũng chỉ cần đảm bảo 70 - 80%

độ ẩm tối đa đồng ruộng

- Giai đoạn thứ ba: Lượng nước cần vào giai đoạn này đã bắt đầu giảm xuống,chỉ khoảng trên dưới 20% tổng lượng nước cần trong suốt thời kỳ sinhtrưởng phát triển của cây khoai lang Tuy nhiên để củ phát triển thuận lợicũng cần đảm bảo độ ẩm đất 70-80% độ ẩm tối đa đồng ruộng Trong sảnxuất thường người ta ít tưới vào giai đoạn này bởi giai đoạn này nếu độ ẩmtrong đất quá cao hoặc gặp trời mưa củ khoai lang rất dễ bị thối

Trang 17

Lượng nước cần cho bắp cải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giống, nhiệt độ, độẩm không khí, lượng mưa.

Đối với bắp cải sớm, trồng đầu vụ trong thời tiết khô hanh, độ ẩm đất cần đảmbảo không thấp hơn 80% và duy trì như vậy cho tới lúc thu hoạch Độ ẩm thấp hơn60% làm giảm 50% năng suất và độ ẩm 70% tuy không làm giảm khối lượng củacây nhưng làm giảm khối lượng của phần bắp cuộn dẫn đến làm giảm năng suấtkinh tế

Trang 18

1.9 Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch

1.1.11 Giới thiệu về PIC 16F877A

PIC 16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng Microchip

- PIC 16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (ReducedInstruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản

- Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân:

Hình 2-8: PIC16F877A [nguồn internet]

Trang 19

- Sơ đồ khối tổng quát về PIC:

Hình 2-9: Sơ đồ khối tổng quát về PIC [nguồn internet]

1.1.12 Cảm biến độ ẩm đất

Module cảm biến độ ẩm của đất cho phép đo độ ẩm của đất và điều khiển động

cơ khi đất quá khô hoặc quá ẩm

Trang 20

Mạch cảm biến độ ẩm đất với các trạng thái như ngõ ra mức thấp (0V), khi đấtkhô ngõ ra sẽ lên mức cao (5V), có độ nhạy cao và có thể điều chỉnh độ nhạy bằngxoay biến trở trên module với độ chính xác khoảng ±5%.

Hình 2-10: Module cảm biến độ ẩm đất [nguồn internet]

1.1.13 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm dễ sử dụng và tiện nhất hiện nay Với chiphí rẻ, dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire Cảm biến tích hợp bộ tiền xử lý tínhiệu cho phép dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tínhtoán nào

Hình 2-11: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [nguồn internet]

1.1.14 Module RF C1101 443MHz

HC-11 CC1101 wireless to TTL Serial 433MHz là module thu phát dữ liệukhông dây chuyển tín hiệu Serial trên sóng mang 433MHz Cần thiết lập một số

Trang 21

thông số về kênh truyền và địa chỉ để có thể truyền dữ liệu Serial (UART) giữa 2module với nhau.

Hình 2-12: Module RF [nguồn internet]

Module HC-11 hoạt động rất tiết kiệm năng lượng Toàn bộ giao tiếp phần cứngvới CC1101 được vi điều khiển STM8S003F3P6 đảm nhận Do đó, việc cài đặtmodule được thực hiện thông qua tập lệnh AT đơn giản

1.1.15 Kit WiFi NodeMcu ESP8266 – WeMos

Tính năng:

- Kit WiFi ESP8266 NodeMcu là kit được phát triển trên nền chip WiFiSoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng Hơn nữa chip có thể sử dụng trựctiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code nên việc sửdụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 rất đơn giản

- Kit RF thu phát WiFi ESP8266 NodeMcu được sử dụng cho các ứngdụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng WiFi, đặc biệt

là các ứng dụng liên quan đến IoT

Trang 22

Hình 2-13: Kit RF thu phát WiFi ESP8266 NodeMcu [www.nodemcu.com]

Hình 2-14: Sơ đồ chức năng chân [www.nodemcu.com]

1.1.16 LCD và I2C

Sử dụng LCD 16x2 để hiện thị và được giao tiếp với vi điều khiển thông quagiao thức I2C dùng module I2C

Trang 23

Hình 2-15: Sơ đồ kết nối.

1.10 Lý thuyết về truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ (UART)

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) là bộ truyền nhận nốitiếp bất đồng bộ với định dạng khung truyền và tốc độ có thể thiết lập được

Tốc độ truyền thường được sử dụng là 9600 bauds (9600 bit per second) Ngoài

ra còn những tốc độ khác như 1200, 2400, 19200, 38400, 57600, 115200 bps

Định dạng thường gặp: UART với 8 databits, 1 stopbit và 0 parity

Hình 2-16: Cấu trúc khung truyền.

Trang 24

CHƯƠNG 3 THI CÔNG ĐỀ TÀI

1.11 Yêu cầu

- Sử dụng module RF để truyền nhận dữ liệu không dây

- Đưa dữ liệu lên web và điện thoại để dễ dàng theo dõi, lưu trữ và thống kê

dữ liệu thu thập được

- Sử dụng các cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm của đất và không khí

- Điều khiển bật tắt máy bơm dựa trên các thông số thu nhận được

- Thiết kế và thi công phần cứng

1.12 Đưa dữ liệu lên web

1.1.17 Tìm hiểu về ThingSpeak

ThingSpeak ™ là một dịch vụ cho phép phân tích IoT và bạn có thể dễ dàngtổng hợp, hình dung cũng như phân tích luồng dữ liệu trực tiếp với tiện ích đámmây ThingSpeak cho ta hình ảnh tức thời của dữ liệu được các thiết bị kết nối gửitới ThingSpeak Là dịch vụ nền với khả năng thực thi mã MATLAB®, ThingSpeak

có thể thực hiện phân tích các trực tuyến và xử lý dữ liệu khi nó được đưa vào.ThingSpeak được sử dụng để tạo mẫu và chứng minh hệ thống IoT khái niệm yêucầu phân tích

Giao diện bao gồm:

- Tình hình nhiệt độ của môi trường xung quanh cây trồng

- Thông số về độ ẩm không khí đo đạt được

- Độ ẩm đất

- Ngưỡng cài đặt để bơm bật tắt

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	3,07 MB